《磁性物理学》课程教学大纲 一、课程基本信息 英文名称 Physics of Magnetism 课程代码 PHYS2037 课程性质专业选修课程 授课对象 物理学 学分2学分 学时 36学时 主讲教师 许晨 修订日期 2021年9月 指定教材严密，彭晓领，《磁学基础与磁性材料》，浙江大学出版社，2006年。 二、课程目标 (一)总体目标： 通时本课程的学习堂握磁性的基本物理性质以及磁性材料和技术磁化的发据和应用。神 学生具备理论分析和处理一些磁性基本问题的能力。在教学中通过对磁学研究中的经典模型 进行深入剖析 对物理前沿问题、新技术应用的介绍和讨论 ,强化学生对磁性物理学中的 本概念和基本原理的理解，使学生体会物理学思维方式和科学分析方法，更好地理解科学本 质，形成运用辩证唯物主义世界观和科学的时空观研究问题，分析问题和解决问题能力。 (二)课程目标： 课程目标1：通过课程教学，让学生掌握磁性物理学中的基本规律，了解当前磁性物理 发展中的前期问题，激发学生探索磁学问的兴趣，鼓励学生利用课堂所学的和课后补充的知 识去解决当前的磁学问题。了解磁学与其他学科之间的交叉发展过程，培养学生勇于探索科 学问题的精神，形成辩证唯物主义世界观和科学的时空观。 课程目标2：使学生掌握磁性起源和自发磁化、磁畴和技术磁化等的物理概念和物理图 象B 学剂 磁学知识分析问题 理论和实 复 利用简化清晰的物理模型分析能力，提高学生的抽象思维能力，培养学生分析和解决实际问 题的能力，为学习后续知识和前沿领域问题打下扎实的基础。 课程目标3：让学生通过系统的学习，掌握利用简明模型分析复杂磁学间趣的方法，掌 握运用统计物理方法分析宏观磁学性质的方法。提升学生的数学分析能力和从现象到本质的 分析能力，培养学生利用课堂所学知识来分析和理解课程中介绍的前沿磁学问题的方法。鼓 励学生将课堂知识和课后自学相结合来探索一些磁学中的新问题
1 《磁性物理学》课程教学大纲 一、课程基本信息 英文名称 Physics of Magnetism 课程代码 PHYS2037 课程性质 专业选修课程 授课对象 物理学 学 分 2 学分 学 时 36 学时 主讲教师 许晨 修订日期 2021 年 9 月 指定教材 严密，彭晓领，《磁学基础与磁性材料》，浙江大学出版社，2006 年. 二、课程目标 （一）总体目标： 通过本课程的学习掌握磁性的基本物理性质以及磁性材料和技术磁化的发展和应用。使 学生具备理论分析和处理一些磁性基本问题的能力。在教学中通过对磁学研究中的经典模型 进行深入剖析，对物理前沿问题、新技术应用的介绍和讨论，强化学生对磁性物理学中的基 本概念和基本原理的理解，使学生体会物理学思维方式和科学分析方法，更好地理解科学本 质，形成运用辩证唯物主义世界观和科学的时空观研究问题，分析问题和解决问题能力。 （二）课程目标： 课程目标 1：通过课程教学，让学生掌握磁性物理学中的基本规律，了解当前磁性物理 发展中的前期问题，激发学生探索磁学问的兴趣，鼓励学生利用课堂所学的和课后补充的知 识去解决当前的磁学问题。了解磁学与其他学科之间的交叉发展过程，培养学生勇于探索科 学问题的精神，形成辩证唯物主义世界观和科学的时空观。 课程目标 2：使学生掌握磁性起源和自发磁化、磁畴和技术磁化等的物理概念和物理图 象及严格的数学推导，培养学生运用掌握磁学知识分析问题的理论和实验能力，对复杂问题 利用简化清晰的物理模型分析能力，提高学生的抽象思维能力，培养学生分析和解决实际问 题的能力，为学习后续知识和前沿领域问题打下扎实的基础。 课程目标 3：让学生通过系统的学习，掌握利用简明模型分析复杂磁学问题的方法，掌 握运用统计物理方法分析宏观磁学性质的方法。提升学生的数学分析能力和从现象到本质的 分析能力，培养学生利用课堂所学知识来分析和理解课程中介绍的前沿磁学问题的方法。鼓 励学生将课堂知识和课后自学相结合来探索一些磁学中的新问题
(三)课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系 表1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表 课程目标 对应课程内容 对应毕业要求（及对应关系说明） 第一章绪论及磁学基础知识 毕业要求3,7,8：了解磁性物理的发展史，介 绍当今磁学研究热点问题。掌握物质磁性的基 第二章磁性起源 本原理，理论和实验研究方法。通过对当今 第三章物质的磁性 性材料的开发和应用介绍，引导学生对磁性物 课程目标1 第六章技术磁化 理的兴趣，学会课后自主查阅资料了解本领域 的前沿问题。 第七章动态磁化过程 第八章超精细颗粒和薄膜及 应用 第二章磁性起源 毕业要求2,8：掌握运用高等数学推导物理问 顾的能力，堂据对复杂物理问颗讲行物理律横 第三章物质的磁性 方法。能够对具体物理图像进行数学分析和么 第四章磁各向异性与磁致仲 式推导。培养学生 立思 的能力，利用 课程目标2 缩 握的物理知识对实际磁学中的现象和应用原 第五章磁畴结构 理进行分析和理解。 第六章技术磁化 第七章动态磁化过程 第二章磁性起源 毕业要求2,3,7：通过结合固体物理，统计力 学和量子力学知识使学生掌握讨论磁性物理 第三章物质的磁性 中理论和实验问题的方法，适当介绍一些与本 课程目标3 第五章磁畴结构 课程相关的前沿问题，使学生了解磁学前沿 第七章动态磁化过程 开阔学生的视野，鼓励学生课后通过查阅资料 达到进一步了解前沿课题的目的。 第八章超精细颗粒和薄膜及 应用 三、教学内容 第一章电磁现象的普遍规律 1.教学目标
2 （三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系 表 1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表 三、教学内容 第一章 电磁现象的普遍规律 1.教学目标 课程目标 对应课程内容 对应毕业要求（及对应关系说明） 课程目标 1 第一章 绪论及磁学基础知识 第二章 磁性起源 第三章 物质的磁性 第六章 技术磁化 第七章 动态磁化过程 第八章 超精细颗粒和薄膜及 应用 毕业要求 3,7,8：了解磁性物理的发展史，介 绍当今磁学研究热点问题。掌握物质磁性的基 本原理，理论和实验研究方法。通过对当今磁 性材料的开发和应用介绍，引导学生对磁性物 理的兴趣，学会课后自主查阅资料了解本领域 的前沿问题。 课程目标 2 第二章 磁性起源 第三章 物质的磁性 第四章 磁各向异性与磁致伸 缩 第五章 磁畴结构 第六章 技术磁化 第七章 动态磁化过程 毕业要求 2，8：掌握运用高等数学推导物理问 题的能力，掌握对复杂物理问题进行物理建模 方法。能够对具体物理图像进行数学分析和公 式推导。培养学生独立思考的能力，利用已掌 握的物理知识对实际磁学中的现象和应用原 理进行分析和理解。 课程目标 3 第二章 磁性起源 第三章 物质的磁性 第五章 磁畴结构 第七章 动态磁化过程 第八章 超精细颗粒和薄膜及 应用 毕业要求 2，3,7：通过结合固体物理，统计力 学和量子力学知识使学生掌握讨论磁性物理 中理论和实验问题的方法，适当介绍一些与本 课程相关的前沿问题，使学生了解磁学前沿， 开阔学生的视野，鼓励学生课后通过查阅资料 达到进一步了解前沿课题的目的
掌握磁性物理的研究内容和研究方法，了解磁性物理学发展历史，物理学家 的的生平及科学贡献，培养学生的科学精神，建立科学的方法论。掌握磁场强度，磁感 应强度，磁化强度，退磁场，毕奥萨伐尔定律，法拉第定律，楞次定律及材料分类方法 2.教学重难点 磁场强度、磁感应强度、磁化强度三者的关系。利用毕奥萨伐尔定律计算电流产生的磁 场。退磁因子的计算 3.教学内容 第一节破性物理的简史 一、磁性物理学发展历史回顾 使学生了解磁性物理的发展简史 二、磁性物理的研究内容和研究方法 让学生明白要学什么和如何去学习磁性物理学的方法。使学生深入理解磁学物理 量的物理概念及其相互关系。介绍参考书。 第二节磁场 一、磁场强度 学生掌握磁场强度的定义，毕奥萨伐尔定律，安培定律以及不同形式的磁力线 分布 二、磁感应强度 要求学生掌握法拉第定律，楞次定律 三、国际单位制与高斯单位制 要求学生掌握磁学物理量国际单位制表示方法并了解高斯单位制与国际单位制 的联系与区别，目前仍然有学者使用高斯单位制发表论文。 四、产生磁场的方法 介绍日常产生磁场的两种方法，包括电流产生法和永磁铁产生法。重点讲解装置 原理和产生超强磁场的方法。 第三节磁矩与磁化强度 一、磁矩 掌握磁矩在通电圆环和条形磁体中的表述方式。讲解磁矩产生磁场的空间分布， 包括圆形电流环，方形电流环以及磁偶极子产生磁场的情况。 二、磁化强度 磁化强度矢量定义，重点讲解磁感应强度、磁场强度及磁化强度之间的数学关系 等式。 三、磁性材料的分类
3 掌握磁性物理的研究内容和研究方法，了解磁性物理学发展历史，物理学家 的的生平及科学贡献，培养学生的科学精神，建立科学的方法论。掌握磁场强度，磁感 应强度，磁化强度，退磁场，毕奥萨伐尔定律，法拉第定律，楞次定律及材料分类方法。 2.教学重难点 磁场强度、磁感应强度、磁化强度三者的关系。利用毕奥萨伐尔定律计算电流产生的磁 场。退磁因子的计算。 3.教学内容 第一节 磁性物理的简史 一、磁性物理学发展历史回顾 使学生了解磁性物理的发展简史 二、磁性物理的研究内容和研究方法 让学生明白要学什么和如何去学习磁性物理学的方法。使学生深入理解磁学物理 量的物理概念及其相互关系。介绍参考书。 第二节 磁场 一、磁场强度 使学生掌握磁场强度的定义，毕奥萨伐尔定律，安培定律以及不同形式的磁力线 分布 二、磁感应强度 要求学生掌握法拉第定律，楞次定律 三、国际单位制与高斯单位制 要求学生掌握磁学物理量国际单位制表示方法并了解高斯单位制与国际单位制 的联系与区别，目前仍然有学者使用高斯单位制发表论文。 四、产生磁场的方法 介绍日常产生磁场的两种方法，包括电流产生法和永磁铁产生法。重点讲解装置 原理和产生超强磁场的方法。 第三节 磁矩与磁化强度 一、磁矩 掌握磁矩在通电圆环和条形磁体中的表述方式。讲解磁矩产生磁场的空间分布， 包括圆形电流环，方形电流环以及磁偶极子产生磁场的情况。 二、磁化强度 磁化强度矢量定义，重点讲解磁感应强度、磁场强度及磁化强度之间的数学关系 等式。 三、磁性材料的分类
物质根据磁性极化率参数，重点介绍五种分类（抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁 磁性和亚铁磁性)及其特征。 四、磁性材料的退磁因子 磁体中的静磁能量及退磁场概念和退磁因子计算。重点推导均匀磁化的球形颗粒 退磁因子表达式。 五、磁屏蔽 重点讲解磁屏蔽的原理，并介绍一些磁屏蔽装置 4.教学方法 教师讲授，师生讨论等。 5.教学评价 课后相应习题，思考题，补充习题 第二章磁性起源 1.教学目标 掌握轨道运动和自旋的磁矩计算公式，原子磁矩的计算，洪德规则，晶体场 熟悉原子磁矩的矢量模型，过渡族金属离子磁矩的实验与理论对比结果。 2.教学重难点 推导轨道和自旋磁矩的表达式，理解洪德规则，推导兰德因子。轨道角动量淬灭现象。 3.教学内容 第一节轨道运动和自旋 一、轨道磁矩 演示推导电子轨道角动量与轨道磁矩公式。 二、自旋磁矩 讲解自旋磁矩的理解难点及计算公式。 第二节原子磁矩 一、原子磁矩的矢量模型 讲解原子磁矩的矢量模型，推导兰德g因子表达式。 二、洪德规则 重点介绍洪德规则测及该规则的物理图像，给出原子磁矩的计算公式，举例计算原 子破矩 第三节过渡族金属离子磁矩 一、过渡族金属离子磁矩的实验与理论对比
4 物质根据磁性极化率参数，重点介绍五种分类（抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁 磁性和亚铁磁性）及其特征。 四、磁性材料的退磁因子 磁体中的静磁能量及退磁场概念和退磁因子计算。重点推导均匀磁化的球形颗粒 退磁因子表达式。 五、磁屏蔽 重点讲解磁屏蔽的原理，并介绍一些磁屏蔽装置。 4.教学方法 教师讲授，师生讨论等。 5.教学评价 课后相应习题，思考题，补充习题。 第二章 磁性起源 1.教学目标 掌握轨道运动和自旋的磁矩计算公式，原子磁矩的计算，洪德规则，晶体场。 熟悉原子磁矩的矢量模型，过渡族金属离子磁矩的实验与理论对比结果。 2.教学重难点 推导轨道和自旋磁矩的表达式，理解洪德规则，推导兰德因子。轨道角动量淬灭现象。 3.教学内容 第一节 轨道运动和自旋 一、轨道磁矩 演示推导电子轨道角动量与轨道磁矩公式。 二、自旋磁矩 讲解自旋磁矩的理解难点及计算公式。 第二节 原子磁矩 一、原子磁矩的矢量模型 讲解原子磁矩的矢量模型，推导兰德 g 因子表达式。 二、洪德规则 重点介绍洪德规则及该规则的物理图像，给出原子磁矩的计算公式，举例计算原 子磁矩。 第三节 过渡族金属离子磁矩 一、过渡族金属离子磁矩的实验与理论对比
列举过渡族金属离子的磁矩，对比理论计算与实验测量的差别。 二、晶体场 引入晶体场来解释实验现象。具体以氧八面体结构来分析。难点是讲解轨道角动 量淬灭现象。仔细介绍轨道角动量冻结的概念及图象，阐述其与自由原子磁矩的 区别。 4.教学方法 教师讲授，师生讨论等。 5.教学评价 课后相应习题，补充习题，思考愿。 第三章物质的磁性 1.教学目标 掌握郎之万顺磁性理论，外斯铁磁性理论的分子场假设和磁畴假设。铁磁性理论推导 过程，并得出居里-外斯定律。交换相互作用的来源，铁磁性海森堡模型。超交换模型，反 铁磁性理论。 熟悉布里渊函数，铁磁性来源的一些模型，贝蒂一斯莱特曲线，磁极化率与温度的关 系曲线，尖品石结构，包括四面体和八面体结构。 2.教学重难点 磁矩和磁化强度，磁性材料的分类，外斯铁磁性理论的模型：铁磁性理论推导，交换 积分的来源：海森堡理论推导。超交换原理：反铁磁性理论推导。四面体和八面体结构。 3.教学内容 第一节顺磁性 一、郎之万顺磁性 郎之万顺磁性物理图像及模型，重点分析如果利用热力学统计物理的知识推导出 顺磁性系统的磁化强度与外加磁场强度直接的函数关系。讨论郎之万函数的性质。 二、布里渊函数 对比郎之万经典系统所得结果与实验的差别，引入布里渊函数。考虑破矩空间取 向量子化效应是推导布里渊函数的关健。注意分析推导过程中使用的数学技巧。 第二节外斯铁磁性理论 一、外斯铁磁性理论假设 介绍外斯铁磁性理论的分子场假设和磁畴假设，给出这两种假设的物理图像。 二、铁磁性理论推导 5
5 列举过渡族金属离子的磁矩，对比理论计算与实验测量的差别。 二、晶体场 引入晶体场来解释实验现象。具体以氧八面体结构来分析。难点是讲解轨道角动 量淬灭现象。仔细介绍轨道角动量冻结的概念及图象，阐述其与自由原子磁矩的 区别。 4.教学方法 教师讲授，师生讨论等。 5.教学评价 课后相应习题，补充习题，思考题。 第三章物质的磁性 1.教学目标 掌握郎之万顺磁性理论，外斯铁磁性理论的分子场假设和磁畴假设。铁磁性理论推导 过程，并得出居里-外斯定律。交换相互作用的来源，铁磁性海森堡模型。超交换模型，反 铁磁性理论。 熟悉布里渊函数，铁磁性来源的一些模型，贝蒂-斯莱特曲线，磁极化率与温度的关 系曲线，尖晶石结构，包括四面体和八面体结构。 2.教学重难点 磁矩和磁化强度，磁性材料的分类，外斯铁磁性理论的模型；铁磁性理论推导，交换 积分的来源；海森堡理论推导。超交换原理；反铁磁性理论推导。四面体和八面体结构。 3.教学内容 第一节 顺磁性 一、郎之万顺磁性 郎之万顺磁性物理图像及模型，重点分析如果利用热力学统计物理的知识推导出 顺磁性系统的磁化强度与外加磁场强度直接的函数关系。讨论郎之万函数的性质。 二、布里渊函数 对比郎之万经典系统所得结果与实验的差别，引入布里渊函数。考虑磁矩空间取 向量子化效应是推导布里渊函数的关键。注意分析推导过程中使用的数学技巧。 第二节 外斯铁磁性理论 一、外斯铁磁性理论假设 介绍外斯铁磁性理论的分子场假设和磁畴假设，给出这两种假设的物理图像。 二、铁磁性理论推导